Numerical study of laser parameters on the instability of the keyhole during laser welding

Saediardahaei, Saeid (2025). Numerical study of laser parameters on the instability of the keyhole during laser welding. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Keyhole mode laser welding is capable of achieving deep penetration in metals like aluminum by forming a vapor-induced cavity (“keyhole”) during welding. However, this process is highly susceptible to keyhole instabilities and fluctuations that can lead to defects (e.g., porosity and spatter), undermining weld quality. Direct observation and control of the keyhole are challenging due to intense optical emissions and rapid dynamics, so numerical simulation offers a valuable alternative to investigate these phenomena.

This thesis aims to numerically examine how laser welding parameters affect keyhole stability in aluminum. The goal is to identify which parameters (laser power, spot size, pulse frequency/duration, waveform shape, etc.) exacerbate or mitigate keyhole instability, and to propose parameter modulation strategies (especially via power waveform shaping) to stabilize the keyhole and improve overall weld quality.

A comprehensive multiphysics simulation model was developed in COMSOL Multiphysics, integrating a modified mixture theory, a level-set method for tracking the vapor/liquid and molten pool free surface, and an enthalpy-porosity approach for phase change. Using this model, both continuous wave and power-modulated pulsed laser spot welding scenarios were analyzed. Parametric studies varied laser power (2–6 kW), beam spot radius, pulse frequency, pulse duration, number of pulses, and pulse shape (rectangular, triangular, sinusoidal, cosinusoidal, etc.). Additionally, a Taguchi design of experiments combined with Grey Relational Analysis was employed to evaluate multiple weld-quality responses and determine optimal parameter combinations for stability and penetration.

The simulations reveal that increasing laser intensity (higher power and longer pulses) and using a smaller beam spot greatly improve penetration (up to ~80% deeper welds) but also intensify keyhole oscillations and instability if pulses are too prolonged or frequent. In particular, higher pulse frequencies and rapid on-off cycling of the laser amplify melt pool fluctuations and increase the tendency for keyhole collapse. Force analysis showed that surface tension effects (due to keyhole curvature) and mushy-zone drag (Darcy damping) dominate the instability during pulse wave modulation, negatively affecting the balance with recoil pressure, leading to keyhole oscillations. Importantly, smoother power modulation proved effective in stabilizing the keyhole: rectangular pulses achieved the deepest penetration (exceeding that of continuous wave under equivalent conditions), whereas triangular and rampdown pulse shapes produced a more stable, cylindrical keyhole with reduced fluctuations (at the cost of slightly shallower penetration). Furthermore, systematic waveform optimization indicated that low pulse amplitude (~1000 W) and low-to-medium pulse frequencies (≈100– 400 Hz), combined with a cosinusoidal power profile, significantly improve process stability while maintaining adequate penetration. Among the parameters studied, pulse amplitude was found to have the strongest effect on weld quality (contributing over 50% of performance variation), followed by pulse frequency and waveform shape.

This numerical study provides new insights into the instability of the keyhole during laser welding and demonstrates that tailored laser parameter modulation can substantially enhance welding stability. By selecting appropriate power waveforms and moderate operating conditions (avoiding extreme peak powers and overly high frequencies), it is possible to achieve deep, high-quality aluminum welds with minimal defect formation. The findings offer practical guidelines for optimizing laser welding parameters and underscore the value of multiphysics simulations in unraveling complex laser–material interaction dynamics.

Titre traduit

Étude numérique des paramètres laser sur l'instabilité du trou de serrure lors du soudage laser

Résumé traduit

Le soudage laser en mode « trou de serrure » permet une pénétration profonde dans des métaux comme l’aluminium en formant une cavité induite par la vaporisation du matériau. Cependant, ce procédé est particulièrement sensible aux instabilités du trou de serrure et aux fluctuations du bain fondu, ce qui peut entraîner des défauts tels que la porosité et les projections de métal, compromettant ainsi la qualité du joint soudé. L’observation directe et le contrôle de cette cavité sont difficiles en raison du rayonnement intense et de la dynamique rapide du procédé. La simulation numérique constitue donc une alternative précieuse pour étudier ces phénomènes.

Cette thèse vise à examiner numériquement l’effet des paramètres du soudage laser sur la stabilité du trou de serrure dans l’aluminium. L’objectif est d’identifier les paramètres (puissance laser, diamètre du faisceau, fréquence/durée d’impulsion, forme d’onde, etc.) qui aggravent ou atténuent l’instabilité du trou de serrure, et de proposer des stratégies de modulation (notamment par le façonnage de la courbe de puissance) pour stabiliser le procédé et améliorer la qualité du soudage.

Un modèle multiphysique complet a été développé sous COMSOL Multiphysics, intégrant une théorie du mélange modifiée, une méthode Level-Set pour le suivi de la surface libre du bain fondu et de l’interface vapeur/liquide, ainsi qu’une approche enthalpie-porosité pour les changements de phase. Ce modèle a permis d’analyser le soudage laser par onde continue et par impulsions modulées en puissance. Des études paramétriques ont été menées en faisant varier la puissance laser (2–6 kW), le rayon du faisceau, la fréquence et la durée des impulsions, le nombre d’impulsions et la forme d’onde (rectangulaire, triangulaire, sinusoïdale, cosinusoïdale, etc.). En complément, une méthode de plan d’expériences de Taguchi combinée à une analyse relationnelle grise (GRA) a été utilisée pour évaluer plusieurs critères de qualité du soudage et déterminer les combinaisons optimales pour la stabilité et la pénétration.

Les simulations montrent que l’augmentation de l’intensité laser (puissance élevée et impulsions longues) et l’utilisation d’un faisceau plus concentré améliorent significativement la pénétration (jusqu’à environ 80 %), mais au prix d’une intensification des oscillations du trou de serrure si les impulsions sont trop longues ou trop fréquentes. En particulier, des fréquences d’impulsion élevées et un cycle marche/arrêt rapide accentuent les fluctuations du bain fondu et augmentent le risque de fermeture du trou de serrure. L’analyse des forces a révélé que les effets de tension superficielle (liés à la courbure du trou de serrure) et la résistance dans la zone pâteuse (force d’amortissement de Darcy) dominent l’instabilité en régime d’onde pulsée, affectant négativement l’équilibre avec la pression de recul et induisant des oscillations du trou de serrure. De manière cruciale, une modulation de puissance plus progressive s’est révélée efficace pour stabiliser la cavité: les impulsions rectangulaires ont permis la pénétration la plus profonde (supérieure à celle de l’onde continue à énergie équivalente), tandis que les formes triangulaires ou décroissantes ont généré un trou de serrure plus stable et cylindrique avec moins de fluctuations (au prix d’une légère perte de prrofondeur). Par ailleurs, l’optimisation des formes d’onde a montré que l’utilisation d’une faible amplitude (~1000 W) et d’une fréquence basse à moyenne (~100–400 Hz), combinées à un profil de puissance cosinusoïdal, améliore nettement la stabilité tout en conservant une bonne pénétration. Parmi tous les paramètres étudiés, l’amplitude des impulsions s’est révélée être le facteur le plus influent sur la qualité du soudage (responsable de plus de 50 % de la variation), suivie de la fréquence et de la forme de l’impulsion.

Cette étude numérique apporte un éclairage nouveau sur l’instabilité du trou de serrure en soudage laser et démontre que la modulation ciblée des paramètres laser permet de renforcer significativement la stabilité du procédé. En sélectionnant des formes d’onde appropriées et des conditions opératoires modérées (en évitant les pics de puissance extrêmes et les fréquences trop élevées), il est possible d’obtenir des soudures profondes et de haute qualité en aluminium, tout en réduisant les risques de défauts. Ces résultats offrent des lignes directrices concrètes pour l’optimisation des paramètres de soudage laser et soulignent la valeur des simulations multiphysiques dans la compréhension des interactions complexes entre le laser et la matière.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 135-144).
Mots-clés libres:	trou de serrure, soudage laser, instabilité, pression de recul, force d’amortissement de Darcy, effet Marangoni, effet de courbure, profondeur de pénétration du trou de serrure, mise en forme des impulsions, comportement des écoulements, interface vapeur/liquide, interface solide/liquide, optimisation, instabilité, analyse relationnelle grise
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Pham, Tan
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 sept. 2025 18:27
Dernière modification:	23 sept. 2025 18:27
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3700

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